1、三相异步电动机效率检测中绕组温度测量方法研究改三相异步电动机效率检测中绕组温度测量方法研究中文摘要 随着全球工业化进程的不断加快，对电机的需求也在不断增长。电机产品作为通用工业设备，每年消耗我国60%的电力能源，据财政部权威数据表明：我国电机耗电量约为2万亿千瓦时，占全国用电总量的60%和工业用电量的80%，电机节能无疑对我国节能减排目标的实现有着至关重要的作用。因而2012年5月11日国家质量监督检验检疫总局和中国国家标准化管理委员会联合发布了全新的强制性国家能效标准GB 18613-2012中小型三相异步电机能效限定值及能效等级，并于2012年9月1日起强制实施，此标准对中小型三相异步电动
2、机的能效等级、能效限定值、目标能效限定值、节能评价值和试验方法作出了规定。GB18613-2012，是在GB 18613-2006基础上进行修订，为了让国内电动机效率水平满足国际标准内容要求，此外借鉴了国际标准IEC 60034-30单速三相笼型感应电动机效率分级，清楚指出电动机效率需要依照GB/T 1032 内的B法计算输入输出功率的损耗分析法开展计算。GB/T 1032-2012 标准要求B法计算效率时，在开展负载测试、空载测试时需要共同测试所有负载试验点、所有电压试验点的绕组温度或绕组电阻R；此外，指出定子、转子铜损耗应换算到规定温度下的损耗。规定温度s是绕组工作温度w修正到冷却介质温度
3、为25时的温度值。绕组工作温度w可按以下方法确定：（一）直接法进行额定负载热试验，热试验断电停机后，按外推法，作热电阻读数对断电后冷却时间的关系曲线外推至t=0时取得电阻值，从而确定绕组工作温度w；（二）由热电偶温度计直接测得绕组工作温度w。因此就可以知道，B法计算效率，测试的时候需要使用温度计法计算绕组温度或开展带电测绕组电阻。当前带电测试电阻仪器设施高昂，且故障频发，所以实验室使用B法效率测试的时候通常使用热电偶温度计法计算，因此就牵连到热电偶分布情况，此时标准GB/T 10322012中没有与之相关的内容。电动机运行产生损耗，损耗又以热能的形式散失，进而形成温度场；由于与散热条件有关，温
4、度场内各个位置的热量分布状况出现差异，电机内部绕组各点的温度也会略有不同。效率求解公式繁多而复杂，绕组温度值的不同会导致多个变量随之改变，所以绕组温度的测量，对最终效率的测试结果影响较大。本论文以2.2kW三相笼型异步电动机为例,通过有限元软件ANSYS下的Workbench平台创建三相异步电动机稳态温度场模型，对其额定情况下的稳态温度场开展研究统计，得出定子绕组区域的温度分布情况，以便掌握设备日常运作时的温度场分布状况，进而明确B法效率测试时绕组温度测试方法（热电偶测量的布置方案），并探寻了绕组温度测量的等效方式:外推法,为完善优化三相异步电动机效率试验方法提供了一些经验和建议。关键词：三相
5、异步电动机，效率，绕组温度，测量方法Research on winding temperature measuring method in the check of three-phase asynchronous motors efficiencyAbstractAs the global industrialization develops rapidly, the demand for motor is growing. Motor products as general industrial equipment consume 60% of the electric energy in
6、 China; according to the data of ministry of finance, it indicates that Chinas electric power consumption is about 2 trillion kWh, accounting for 60% of the total electricity and 80% of industrial electricity. Motor energy-saving certainly plays a vital role in the realization of energy conservation
7、 and emissions reduction in China. So, on May 11, 2012, State Administration for Quality Supervision and Inspection and Quarantine (AQSIQ) and Standardization Administration of China jointly released a new version of mandatory national standard GB 18613-2012 “small and medium three-phase asynchronou
8、s motors allowable value of energy efficiency and energy efficiency grade”, and in 2012, September 1, it was enforced; the standard makes the rules for small and medium three-phase asynchronous motors efficiency level, allowable value of energy efficiency, limit value of target energy efficiency, en
9、ergy saving evaluation and test method.GB18613-2012 is based on the revision of GB 18613-2006, with the aim to make the motor efficiency level in China in line with international standards, and with reference to the international standard IEC 60034-30 single-speed three-phase cage induction motor ef
10、ficiency classification, it clearly puts forward the motor efficiency should be according to B method of GB/T 1032 - loss analysis of input - output power for measuring. GB/T 1032-2012 standard regulates B method to measure efficiency; when the load test and non-load test are conducted, winding temp
11、erature or resistance R of each load point and each voltage point must be measured at the same time. In addition, the stator, rotor copper loss should be transformed to the loss under the specified temperature. Specified temperatures is the temperature value that winding temperaturew is revised to t
12、he cooling medium temperature, that is, 25 . Winding temperaturew can be determined according to the following methods: (a) the direct method is used for rated load thermal test; after thermal test is in power outage, according to the extrapolation method, the relationship curve of a thermal resista
13、nce readings on the cooling time after power off, with extrapolation when the t = 0, it obtains resistance value, so as to determine the winding temperaturew; (b) the winding temperaturew is directly measured by thermocouple to take the largest thermometer readings of any thermometer. Thus, B method
14、 to measure efficiency requires, upon test, it must use a thermometer to measure winding temperature or electrified winding resistance. The electric resistance measurement instruments are expensive and easy to fail, so when the lab takes B method for efficiency testing, it usually adopts thermocoupl
15、e thermometer method to measure the winding temperature, which involvs the thermocouple placement, and the standard of GB/T 1032-2012 does not specify it.Motor produces loss in running, and the loss is lost in the form of heat energy, thus forming temperature field; influenced by cooling condition,
16、the distribution of the heat generated by the temperature field in different position is different, and the temperature of winding each point inside the motor will be slightly different. Efficiency solution formula is various and complex. Winding temperature difference will lead to the change of mul
17、tiple variables，so the measurement of the winding temperature has greater influence on the final efficiency test result.This paper takes 2.2 kW three-phase squirrel-cage asynchronous motor as an example, using finite element software ANSYSs Workbench platform to establish the steady-state temperatur
18、e field model of general three-phase asynchronous motor to analyze and calculate the steady-state temperature field of the rated condition and to solve the temperature distribution map of the stator winding, so as to understand the temperature field distribution in the normal operation of the motor,
19、 and then determine the winding temperature measurement scheme when taking B method to test the efficiency (thermocouple measurement distribution scheme), and explore the equivalent method to the winding temperature measuring method: extrapolation method, with some experience and suggestions to impr
20、ove the test method for the efficiency of o three-phase asynchronous motor.Keywords: three-phase asynchronous motor,efficiency,winding temperature,measuring method第1章 绪论1.1研究背景及意义随着全球工业化进程的不断加快，对电机的需求也在不断增长。据财政部权威数据表明：我国电机产品年耗电量占全国用电总量的50%以上，在工业领域，电机能耗更占据总能耗的60%以上。经济持续高速发展也使得我国已经成为了全球第一大能源消耗国，电机节能无疑
21、对我国节能减排目标的实现有着至关重要的作用。从全球范围上进行分析，基于资源不足问题更加明显的宏观环境，大部分发达国家开始提升电机能效，以便将其当做关键的节能方案。美国从1997年就逐渐普及与宣传高效电机，2011年开始强制要求在美国生产已经进口到美国的电机效率必须到达NEMA Premuim标准（超高效电机）；2008 年全球电工技术委员会（IEC）修订了较为一致的电机能效分级标准IEC 60034-30，欧洲在2011年逐渐使用电机最低能效强制性标准（MEPS），提出相关电机产品最低效率需要满足IEC 60034-30标准中IE2等级，2015年1月1日开始，额定功率为7.5kW200 kW
22、的电动机应达到标准规定的效率IE3（超高效电机）等级。国内2002 年制定了电机能效国家标准（GB18613-2002），近期依照 IEC 标准组织数次开展修订，2012年5月11日国家质量监督检验检疫总局和中国国家标准化管理委员会联合发布了全新强制性国家能效标准GB 18613-2012中小型三相异步电机能效限定值及能效等级，并于2012年9月1日起强制实施，此标准使用电压低于1000V，50Hz三相交流电源供电的，额定功率位于0.75kW到375kW范畴内，极数是2极、4极与6极，单速封闭自扇冷式、N设计、接连工作制的一般用途的电动机或防爆电动机【1】。对此设备的能效等级、能效限定值、目标
23、能效限定值测试方式等作出了规定，我国三相异步电动机能效等级分为3个等级，其中3级能效最低，2极、1极效率逐级增高，各等级的电动机在额定负载下的效率值应不低于标准规定。标准中未列出的，其效率可根据数据对照表用线性插值法计算确定。标准规定2016年9月1日起，额定功率为7.5kW至375kW的电机效率应达到国家能效2级要求，2017年9月1日起，额定功率7.5kW以下的电机效率应达到国家能效2级要求，相当于美国的NEMA Premuim级别和欧洲标准中的IE3级别。每年我国有数以亿计的高效电机产品经第三方检验认证机构检验进入国内市场或远销海外，由于高效、超高效电机损耗越来越小，因此，不断提升和完善
24、电机产品的能效测试技术，更准确地测量、计算三项异动步电机各部分损耗及效率一直是各国检测机构的主要研究方向，具有十分重要的意义。1.1.1国外三相异步电动机效率测试技术目前，全世界并还没有统一的电机效率标准及测试方法。表1-1表示各个国家与地区使用的电动机效率测试方法标准，因此就可以了解到对电动机效率的测试方式总体可以分为直接测定、间接测定以及简单进行试验后，对效率进行理论分析求解三大类。这三类方法分别针对不同类型的电机，复杂程度不同，对电动机效率测试的精准度也出现一定的差异。各个国家对于不同类型电机的能效测试实验方法基本是基于损耗分析法进行的，即通过计算电机在负载下各部分的损耗值推导出电机在额
25、定负载下的效率，但在具体方法上目前国际上并不统一。其中应用范围比较广泛的是美国标准及IEC标准，美国能效法规10CFR431（ENERGY EFFICIENCY PROGRAM FOR CERTAIN COMMERCIAL AND INDUSTRIAL EQUIPMENT）中的Subpart B中表明，在此部分内要求的电机能效测试的试验方式需要依照内容要求的IEEE Std 112标准或者CSA标准C390中的B法进行；国际电工技术委员会最新指定的IEC 60034-30-1-2014Rotating electrical machines - Part30-1: Efficiency cla
26、sses of line operated AC motors中指出，在计算标准规定范围内的电机效率时采用IEC 60034-2-1方法进行【2】。表1-1 各国采用的电机效率试验方法标准地区中国美国欧洲加拿大澳大利亚英国日本标准GB/T 1032IEEE Std 112IEC 60034-2CSA C90-98IEC 61972BS 269JEC 371.1.2国内三相异步电动机效率测试技术为使我国电动机效率检验水平达到国际标准的要求， 我国经三次修订于2012年发布实施了现行的国家推荐性标准GB/T1032-2012三相异步电动机试验方法，该标准综合借鉴了IEEE Std 112、IEC6
27、0034-2等标准要求，给出了以字母表示的10种效率的测试方法。这些代号源于美国IEEE（美国电气电子工程师协会）标准IEEE std 112。在国际IEC（国际电工技术委员会）标准IEC 60034-2-1中也引用了美国上述标准中的编制方法。A法，也被称做输入-输出法。一般用于在额定功率低于1kW的电动机，此方式的特征是根据测试得到的输入和输出功率比值，计算出设备最终效率。直观效率值与试验时的冷却介质温度有关。B法，也被称做测量输入与输出功率的损耗研究法。一般用于在额定功率低于400kW的电动机，该发同时考虑输出功率、输出功率与各部分损耗对效率的影响，采用转矩测量装置，基于测试结果对负载杂散
28、耗损耗值进行求解。C法，也被称做成对电机双电源对拖回馈试验损耗研究法。此方式使用两台全部一样的成对电机。把上述电机耦接起来，连接在两个电源上，此处一个电源可以调电压和频率。上述电源都需要输出功率且可以吸纳功率，全部满足满足标准要求。E法或E 1法，也被称做测量输入功率的损耗研究法。即只关注输入功率不关注输出功率的影响，测量定子输入功率，从输入功率中减去规定温度下定子损耗 、铁耗、风摩耗和负载杂散耗的综合得出输出功率。上述方式的不同点是，E法主要利用选取转子试验与反转试验法明确负载杂散耗，但是E 1 法使用推荐值进行确定。F法或F1法，也被称做等值电路法。适用于大中型电动机。如图无法开展负载试验
29、，那么久可以根据等值电路法得出电机效率、功率因数、转速等主要特点。上述两者方式的差异是也是在于负载杂散损耗的确定，同E法和E 1法。H法，也被称做圆图法。主要使用在不能开展满载试验的各种类型的电动机，H法主要理论是假定在转速维持恒定时，设备负载电流、电压伴随电压下降同比下降，功率伴随电压的平方降低。其中，A法、B法的相对不确定度最高，是完全根据试验结果确定效率，C法到G法为中不确定度，通过部分试验结果和简化的物理模型来确定效率，H法通过部分试验结果和若干假设确定效率，不确定度相对较高。1.1.3 B法中关于绕组温度测量的要求及存在问题标准GB18613-2012中明确提出，标准要求范围内的高效
30、及超高效电动机效率需要依照GB/T1032-2012中低不确定度的B法计算输入输出功率的损耗分析法开展实验。除个别细节外，B法在整体试验流程上与欧美各国现行采用的实验方法基本相同。从2012年标准实施至今，三相异步电动机效率检验技术已日渐纯熟，然而对于标准中一些细节问题仍然值得推敲和思考，比如采用GB/T 1032-2012 标准内要求的B法测试效率时，在开展负载与空载测试时需要通过计算所有要求的负载点、电压点的绕组温度或绕组电阻R；此外，指出定子、转子铜损耗应换算到规定温度下的损耗。规定温度s是绕组工作温度w修正到冷却介质温度为25时的温度值3。目前我国大多数实验室在开展B法测试时通常使用热
31、电偶温度计法计算电机运行期间所有部分的绕组温度，由于在GB/T 10322012以及国内外相关标准中对热电偶的具体布置方法并未明确说明，有的检验机构采取在电机绕组端部布黏贴多个热电偶，取温度最高值作为计算值；有的机构采用几个测量值的平均值作为计算值；还有些机构在绕组端部直接任取一点作为绕组温度的计算值等等，并未形成严格统一的试验方法。实际上，电动机运行产生损耗，损耗又以热能的形式散失，进而产生温度场；和散热条件有关，各个位置出现的温度场分布情况不一样，电机内部绕组各点的温度也会略有不同。在B法计算效率过程中，绕组温度值需参与多次复杂公式运算，绕组温度数据的偏差将导致多个参数值随之改变，很可能最
32、终改变对电机的能效判定结果。热电偶应如何布置、布置多少，才对试验结果更准确；而布置安装热电偶时，需要在试验前拆卸电机，工作效率势必受到影响，而且还有可能由于装配不良等因素引起散热、发热等问题，影响最终测试结果的准确性。综上，确定B法效率测试需要求取的绕组温度测量方案是很有必要的。1.2 电机机定子绕组测温技术研究在国家标准GB755-2008旋转电机 定额和性能中，对绕组以和其他部分温度测量公认的三种方法进行了规定，即电阻法、埋置检温计（ETD）法、温度计法4。这三种方法均可以实现对绕组温度的实时检测，其中电阻法测量的是绕组的平均温度，埋置检温计法和温度计法测量的是绕组的局部温度。此外，还有基于光纤传感技术的一些测温方法。1.2.1电阻法电阻法测温是依照金属导体电阻会伴随温度变动而变动的理论，通常状况下，线圈绕组使用铜线或铝线制作，上述部分的电阻值伴随温度变动而表现出相应的函数关系。然后通过相应的函数关系求出绕组在热态下的温度值，具体计算关系如公式（1-1）所示： (1-1)式中：表示热态绕组的温度；是线圈绕组的的冷态电阻值，就是测试最初的时候(温度是情况下）的绕组电阻值；为绕组的热态电阻值
